液压参数对离子液体氢储存压缩机热力学性能的影响

《Journal of Energy Storage》：Effects of the hydraulic parameters on the thermodynamic performance of the ionic liquid compressor for hydrogen storage

中链脂肪酸生物合成通过铁氮与导电碳协同增强电子转移效率、优化微生物群落及代谢途径实现显著提升，硬脂酸产量达空白组的4.0倍，丁酸积累减少90%。

　　

孙晓燕|尹亚楠|陈慧|赵雷|王成|朱学军|杨涛|朱天斌|王建龙

中国武汉科技大学先进耐火材料国家重点实验室，武汉 430081

摘要

本研究探讨了通过生物链延长（CE）利用氮化铁（FeN）和导电碳（CC）作为新添加剂策略来促进中链脂肪酸（MCFA）生产的途径。FeN和CC的联合使用表现出协同效应，显著提升了MCFA的产量。在联合使用组中，己酸的产率达到47.5 mmol C/L，分别是空白组、仅使用CC组和使用FeN组的4.0倍、2.8倍和7.5倍。而丁醇的产量降至0.2 mmol C/L（相比使用FeN降低了90%），同时过量积累的丁酸也得到了有效缓解。MCFA产量的显著提升归因于副产物（如丁酸、丁醇和己醇）的减少以及微生物代谢的增强。微生物分析表明，FeN和CC的联合使用通过富集具有CE功能的细菌（如Peptococcus、CL500-29_marine_group和Desulfotomaculum）构建了高度选择性的微生物群落。代谢途径分析显示，在FeN和CC联合使用的组中，反向β-氧化（RBO）和脂肪酸生物合成（FAB）途径均得到了增强，克服了单一金属系统中C₄→C₆末端还原步骤的电子供应瓶颈。本研究阐明了FeN和CC在厌氧发酵中促进MCFA生产的协同作用，为高效MCFA生物制造提供了一种可行的策略。

引言

中链脂肪酸（MCFA）因其高能量密度和疏水性，可直接作为生物燃料前体、抗菌剂或多功能平台化学品，因此具有广泛的应用前景[1]。根据国际能源署（2024年）的数据，预计到2035年全球MCFA市场将达到470万吨，复合年增长率超过12%[2]。然而，传统的化学工艺（如脂质裂解或烯烃氢甲酰化）依赖于石油基原料，具有高能耗和显著的碳排放[3]、[4]。因此，迫切需要开发利用廉价富碳废物的绿色高效MCFA生物制造技术。

生物链延长（CE）技术能够实现短链脂肪酸（SCFA）向MCFA的可持续转化。在此过程中，SCFA每步延长两个碳原子，最终形成MCFA[5]。每个C₂单元的延长需要2 mol NADH，潜在的碳产率超过80%，使生物CE成为工业应用中最有前景的途径之一[6]、[7]。然而，目前的研究普遍面临两个主要瓶颈：电子转移效率低和产品选择性差[8]、[9]。近年来，基于铁的功能材料和基于碳的材料越来越多地被引入CE系统中，以构建人工电子途径或提供催化/附着位点，从而加速细胞外电子转移并重塑微生物群落结构。Lou等人报告称，零价铁可以释放电子并改善系统的还原条件，从而促进CE过程，显著加快SCFA向MCFA的还原转化[10]。随后，同一团队阐明了椰壳衍生生物炭在CE过程中的促进作用，认为其导电框架和多孔界面有助于细胞外电子转移并改善微生物附着[11]。尽管取得了这些进展，但单一材料带来的性能提升仍然有限。基于铁的材料主要增强了系统的还原能力，但可能无法提供足够的微生物附着界面；而基于碳的材料虽然改善了微生物附着和细胞外电子转移途径，但无法维持强大的还原能力。因此，结合这两种材料的优势，同时改善电子供应、界面反应和微生物代谢协调，是推进CE研究的一个有前景的方向。

为了进一步提高CE系统中的电子转移效率（ETE）和微生物代谢协同作用，近年来功能性金属氮化物受到了越来越多的关注。氮化铁（FeN）由于其独特的Fe–N配位结构，表现出优异的氧化还原活性和良好的导电性，为其作为AF中的电子介质提供了理论基础[12]。与传统零价铁相比，FeN中的极性金属-氮键不仅提高了材料的化学稳定性，还丰富了表面的催化活性位点，促进了NADH的持续再生，从而为CE反应提供了稳定的还原能力[13]。另一方面，导电碳（CC）凭借其高导电性、大比表面积和良好的生物相容性，不仅作为电子转移介质，还为微生物提供了有利的附着基底，支持了种间电子转移并增强了微生物代谢协同作用[14]。在FeN和CC的复合系统中，预期会实现多层面的协同效应：（1）电子转移协同作用，CC作为高导电桥梁，将电子高效传递给FeN的活性位点，增强了金属催化中心的还原能力，并实现了乙醇氧化和乙酸还原的有效耦合；（2）界面和微生物协同作用，CC提供了多孔附着界面，促进了微生物在金属表面的定殖和空间分布，优化了电子流动途径，并增强了关键功能微生物的代谢活性。尽管已经报道了FeN和CC的各自优势，但它们的复合系统在厌氧CE系统中调节MCFA合成的潜力尚未得到系统验证，其作用机制及其与微生物代谢途径的耦合机制仍不清楚。

在本研究中，首次将FeN引入AF系统，并系统比较了FeN单独使用及与CC联合使用对MCFA产量、ETE和产品选择性的影响。通过高通量测序与代谢分析的结合，阐明了FeN和CC之间的协同机制及其对微生物群落结构和代谢途径的耦合效应。具体而言，本研究旨在确定FeN单独使用对CE的促进作用和性能限制，揭示CC的引入如何增强FeN的催化活性并优化代谢通量，并从三个层面评估FeN和CC联合使用的协同增强机制：电子转移效率、微生物定殖界面和代谢途径选择性。这些发现为构建高效稳定的MCFA生物制造系统提供了理论指导和实际参考。

部分摘录

接种物和材料

接种物污泥取自中国北京的某市政污水处理厂，在使用前保持在4°C。其主要特性如下：pH 7.0±0.1，总固体（TS）55.62 ± 0.1 g/L，挥发性固体（VS）20.58 ± 0.1 g/L。

氮化铁（AR级，200 nm）购自Macklin（上海，中国），导电碳（CC，200 nm）由Lion Specialty Chemical Co. Ltd.（日本）提供。使用前，FeN和CC经过以下预处理：将粉末进行超声处理

主要酸和醇的浓度变化

在以乙醇作为ED、乙酸作为EA的AF系统中，CE过程高度依赖于ETE与中间代谢途径的耦合[21]。图1展示了在不同材料条件下乙醇和乙酸的消耗动态变化，以及丁酸和己酸的积累情况，揭示了添加剂材料性质对反应节奏和产品分布的显著调控作用。

在发酵初期，

结论

本研究将FeN与CC结合用于AF，显著提升了MCFA的产量。FeN+CC组的己酸浓度达到47.5 mmol C/L，分别是空白组、仅使用CC组和仅使用FeN组的4.0倍、2.8倍和7.5倍。FeN和CC之间的协同作用体现在三个方面：首先，CC建立了导电网络，增强了ETE，使FeN能够克服C₄→C₆步骤的电子瓶颈

CRediT作者贡献声明

陈慧：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。 赵雷：监督，资源管理，项目管理，概念构思。 孙晓燕：撰写 – 初稿撰写，验证，方法学，数据分析。 尹亚楠：撰写 – 审稿与编辑，方法学，概念构思。 朱学军：数据分析，数据管理。 杨涛：数据可视化，验证。 朱天斌：验证。 王建龙：监督，数据分析。 王成：资源管理，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中央高校和中国华能集团科技项目（HNKJ25LN217）、国家自然科学基金（22206103）、湖北省重点研究计划（2022BAA094）以及武汉市知识创新项目（2022010801010306）的财政支持。